ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ


RU (11) 2197047 (13) C1

(51) 7 H01S5/32 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие, но может быть восстановлен 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2002103959/28 
(22) Дата подачи заявки: 2002.02.18 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2002.02.18 
(45) Опубликовано: 2003.01.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2134007 C1, 17.07.1999. RU 2142665 C1, 10.12.1999. RU 2110875 C1, 10.05.1998. US 4063189 А, 13.12.1977. US 5101413 A, 31.03.1991. 
(71) Заявитель(и): Швейкин Василий Иванович 
(72) Автор(ы): Швейкин В.И. 
(73) Патентообладатель(и): Швейкин Василий Иванович 
Адрес для переписки: 119121, Москва, 1-й Неопалимовский пер., 3/10, кв.19, О.Н.Куренной, рег.№ 203 

(54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ 

Использование: в волоконно-оптических системах связи и передачи информации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах, в медицинской аппаратуре, в конструкциях лазеров. Изобретение состоит в модернизации гетероструктуры полупроводникового усилительного элемента, в комплексном подборе составов и толщин слоев гетероструктуры, обеспечивающих работу в узкой переходной области формирования вытекания излучения из активного слоя упомянутого полупроводникового усилительного элемента предложенного полупроводникового оптического усилителя, а также при использовании инжекционного лазера предложено использовать для него такую же либо аналогичную гетероструктуру. Технический результат изобретения заключается в увеличении выходной мощности излучения, эффективности, надежности усилителя, при уменьшении углов расходимости выходного излучения, минимизации отклонения его направления от нормали к плоскости оптической грани, в улучшении распределения ближнего и дальнего полей излучения, а также температурных зависимостей выходных параметров полупроводникового усилительного элемента, уменьшении омических и тепловых сопротивлений, снижении уровня механических напряжений, упрощении технологии его изготовления. 2 с. и 23 з.п.ф-лы, 6 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к квантовой электронной технике, а именно к эффективным, мощным и компактным полупроводниковым оптическим усилителям и его полупроводниковым усилительным элементам.

Предшествующий уровень техники

Полупроводниковый усилительный элемент (в дальнейшем "ПУЭ") выполняется на основе гетероструктуры и является основным элементом эффективного высокомощного и компактного полупроводникового оптического усилителя (в дальнейшем "ПОУ").

Традиционно ПОУ состоит из задающего источника входного излучения, выход которого оптически связан оптической системой со входом ПУЭ [1,2,3].

Наиболее близким по решаемой технической задаче является предложенный в [4] ПУЭ с областью втекания и нетрадиционной средой распространения усиливаемого излучения. Он включает гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, содержащую по крайней мере один активный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, и прозрачную для лазерного излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, по крайней мере с одним слоем втекания излучения, состоящим по крайней мере из одного подслоя. Гетероструктура характеризуется отношением эффективного показателя преломления nэф гетероструктуры к показателю преломления nВТ слоя втекания. ПУЭ также содержит оптические грани, отражатели, омические контакты, по крайней мере одно просветляющее покрытие на оптической грани. При работе известного ПУЭ средой распространения усиливаемого излучения являются по крайней мере часть области втекания и по крайней мере часть активного слоя. В [4] предложены также конструкции ПУЭ с множеством областей втекания излучения, многокаскадные ПУЭ.

Все способы изготовления ПЭУ основаны на методах современной технологии изготовления полупроводниковых инжекционных источников излучения. В то же время имеются при их изготовлении технологические сложности, особенно в изготовлении наклонных оптических граней. Существует ряд ограничений при использовании подложки в качестве области втекания излучения.

Наиболее близким по решаемой технической задаче является предложенный в [4] ПОУ, содержащий оптически соединенные задающий источник входного излучения с ПУЭ, включающим область втекания и нетрадиционную среду распространения усиливаемого излучения. В объем среды распространения усиливаемого излучения включен не только активный объем области усиления с интенсивным вытекающим усилением, но и пассивный объем области втекания излучения. ПУЭ включает гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, содержащую по крайней мере один активный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, прозрачную для лазерного излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, по крайней мере с одним слоем втекания излучения, состоящим по крайней мере из одного подслоя, гетероструктура характеризуется отношением эффективного показателя преломления nэф гетероструктуры к показателю преломления nВТ слоя втекания. ПУЭ также содержит оптические грани, отражатели, омические контакты, по крайней мере одно просветляющее покрытие на оптической грани, причем при работе полупроводникового усилительного элемента средой распространения усиливаемого излучения являются по крайней мере часть области втекания и по крайней мере часть активного слоя.

При этом были значительно увеличены площади входных и выходных апертур, для всех конструкций ПОУ выходное усиленное излучение было наклонным, в том числе перпендикулярным по отношению к его продольной оси, лежащей в плоскости активного слоя. В [4] предложены также конструкции ПОУ с многолучевым выводом излучения, многокаскадные ПОУ.

Основными достоинствами данных ПОУ являются возможности увеличения площадей входных и выходных апертур, получение малых углов расходимости, увеличение срока службы и надежности работы. В то же время вывод излучения под углом к активному слою и к оптическим граням создает большие трудности при эксплуатации известных из [4] ПОУ. Имеются технологические сложности в их изготовлении, особенно при изготовлении наклонных оптических граней. Существуют ограничения при использовании подложки в качестве области втекания излучения.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения поставлена техническая задача упрощения конструкции полупроводникового усилительного элемента и технологического процесса его изготовления как выращивания его гетероструктуры, так и изготовления упомянутого элемента, с уменьшенными омическими и тепловыми сопротивлениями и сниженным уровнем механических сопротивлений, с большими площадями входной и выходной его апертур для создания высокомощных, высокоэффективных, высоконадежных, малошумящих, высокоапертурных, полупроводниковых оптических усилителей, с малыми углами расходимости выходного излучения, направленного под примерно прямым углом к плоской (возможно сколотой) оптической грани, с улучшенным распределением ближнего и дальнего поля излучения, улучшенными температурными зависимостями выходных параметров полупроводниковых оптических усилителей.

В основу изобретения поставлена техническая задача увеличения выходной мощности излучения, эффективности, надежности полупроводникового оптического усилителя, в том числе одномодового, одночастотного (в зависимости от задающего источника входного излучения), с большими площадями входной и выходной его апертур, при уменьшении углов расходимости выходного излучения, с минимизацией отклонения направления выходного излучения от направления нормали к плоскости (возможно сколотой) оптической грани, с уменьшенными омическими и тепловыми сопротивлениями, сниженным уровнем механических напряжений, с улучшенным распределением ближнего и дальнего поля излучения, улучшенными температурными зависимостями выходных параметров при упрощении технологии его изготовления.

В соответствии с изобретением поставленная техническая задача решается тем, что предложен полупроводниковый усилительный элемент, включающий гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, содержащую по крайней мере один активный слой, который состоит по крайней мере из одного подслоя, прозрачную для лазерного излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, по крайней мере с одним слоем втекания излучения, состоящим по крайней мере из одного подслоя, гетероструктура характеризуется отношением эффективного показателя преломления nэф гетероструктуры к показателю преломления nВТ слоя втекания, а также оптические грани, отражатели, омические контакты, по крайней мере одно просветляющее покрытие на оптической грани, при этом при работе полупроводникового усилительного элемента средой распространения усиливаемого излучения являются по крайней мере часть области втекания, по крайней мере часть активного слоя, причем в гетероструктуре дополнительно размещено по крайней мере два отражающих слоя, по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, имеющих показатели преломления меньшие, чем nэф, и сформированных по крайней мере из одного подслоя, область втекания расположена между активным слоем и соответствующим отражающим слоем, в ней сформировано два дополнительных слоя, а именно, примыкающий к поверхности активного слоя локализующий слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя, выполненный из полупроводника с шириной запрещенной зоны, превышающей ширину запрещенной зоны активного слоя, и примыкающий к поверхности локализующего слоя настроечный слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя, далее в области втекания расположен слой втекания, отношение nэф к nВТ определено из диапазона от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом много меньшим единицы, причем при работе полупроводникового усилительного элемента дополнительной средой распространения усиливаемого излучения является по крайней мере часть отражающего слоя, интенсивность усиленного излучения, локализованного в активном слое, определяемая выбранными составами и толщинами слоев гетероструктуры и коэффициентами отражений просветляющих покрытий, выбрана менее ее величины при пороговой плотности тока самовозбуждения.

Существенное отличие предложенных полупроводниковых усилительных элементов (далее "ПУЭ") состоит в комплексной модернизации гетероструктур (далее "ГС"), в которой путем подбора составов, толщин и расположения ее слоев обеспечивается работа ПУЭ в окрестности узкой переходной области, где начинает выполняться условие вытекания излучения из активного слоя. Это основное отличие обеспечивает решение поставленной технической задачи.

Предложенный ПУЭ основан на модернизированной ГС. В таких ГС нет необходимости в обычно используемых волноводных и ограничительных слоях традиционной лазерной гетероструктуры, на основе которой обычно выполнен традиционный ПУЭ. В общем случае ГС предложенного ПУЭ состоит из следующих слоев: к активному слою с обеих сторон примыкают внутренние поверхности локализующих слоев, к противоположным наружным сторонам локализующих слоев примыкают внутренние поверхности настроечных слоев, к противоположным наружным сторонам настроечных слоев примыкают внутренние поверхности слоев втекания, к противоположным наружным сторонам слоев втекания примыкают внутренние поверхности отражающих слоев. Далее, как обычно, могут быть сформированы к р-типа стороне ГС - контактный полупроводниковый слой и к n-типа стороне ГС - буферный слой, расположенный на подложке. Под активным слоем здесь и далее будем понимать, что он может быть выполнен в виде одного или нескольких активных подслоев (в том числе имеющих квантоворазмерные толщины) и одного или нескольких барьерных подслоев, расположенных как между активными подслоями, так и с двух его наружных сторон.

При работе предложенного ПУЭ в полупроводниковом оптическом усилителе (в дальнейшем "ПОУ"), состоящем из какого-либо соответствующего задающего источника входного оптического излучения - далее "ЗИ", ПУЭ, оптической системы, связывающей ЗИ с ПУЭ):

- введенные локализующие слои необходимы для локализации носителей тока (электронов и дырок) в активных подслоях. Локализующие слои очень тонкие. Для улучшения выходных параметров полупроводниковых инжекционных источников излучения (далее "ИИИ"), а именно предложенного ПУЭ, локализующие слои предложено выполнять толщиной не более 0,05 мкм. Ширина запрещенной зоны ЕgЛ этих слоев значительно превышает ширину запрещенной зоны ЕgAC активного слоя,

- специально введенные настроечные слои необходимы для возможности контроля отношения nэф к nВТ. Они выполняются достаточно тонкими. Для улучшения выходных параметров ПЭУ настроечные слои в большинстве модификаций могут выполнятся толщиной не более 1,0 мкм. Их расположение сразу за локализующим слоем, а также выбираемый состав настроечных слоев, выращиваемых (в зависимости от типа используемых полупроводниковых соединений в ГС) из полупроводника с шириной запрещенной зоны ЕgH, незначительно превышающей ширину запрещенной ЕgAC активных слоев, и/или из состава одинакового или близкого к составу подложки, определяет высокую эффективность их использования и улучшение выходных параметров ПЭУ.

Для работающего ПУЭ (при выполнении условия вытекания) вытекающее излучение из активного слоя через локализующий и настроечный слои попадает в слой втекания, откуда оно после ряда отражений и переотражений внутри ГС выходит из ПУЭ.

В отличие от этого в [4] вытекающее излучение через слой втекания выходит напрямую. Этот предложенный и экспериментально проверенный нами механизм вытекания осуществлен путем введения отражающего слоя, имеющего показатель преломления nотр, меньший, чем эффективный показатель преломления nэф гетероструктуры, и примыкающего к наружной (по отношению к активному слою) поверхности слоя втекания, а также соответствующим выбором толщины слоя втекания и угла вытекания , равного косинусу отношения nэф к nВТ, а именно = cos(nэф/nBT), и, следовательно, соотношения nэф и nВТ, выбранного в диапазоне от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом много меньше единицы. Поэтому составы и толщины слоев ПУЭ подбираются такими, чтобы при его работе вытекание излучения из активного слоя в область втекания происходило по крайней мере в окрестности его начальной переходной стадии. Переходной точкой процесса вытекания является условие равенства nэф и nВТ.

Если nэф заметно больше nВТ, то вытекание практически отсутствует, и мы имеем обычный ПУЭ без вытекания, если nВТ заметно больше nэф, то имеет место очень сильное вытекание, и чувствительность ПУЭ в области низких мощностей излучения ЗИ будет неприемлимо низкой. Отметим, что величина nэф уменьшается с увеличением тока, протекающего через ПУЭ в работающем устройстве. В связи с этим мы ввели универсальный параметр , равный отношению nэф к nВТ, а именно = (nэф/nBT), который характеризует пригодность использования предложенного ПУЭ. Этот оцененный нами расчетным путем интервал значений весьма узкий, а именно от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом много меньшим единицы.

Предложено по крайней мере для части интервала значений рабочих токов параметр определять из диапазона менее единицы и более единицы минус дельта, для сужения диаграммы направленности излучения, увеличения эффективности, уменьшения плотности излучения на выходной грани и решения других задач (при этом условие вытекания выполняется).

В некоторых модификациях по крайней мере для части интервала значений рабочих токов отношение nэф к nВТ, определяемое составами и толщинами слоев гетероструктуры, выбирают менее единицы и более 0,99, или вблизи единицы, или равное единице для получения вытекания в ПУЭ.

Для исключения самовозбуждения ПУЭ необходимо, чтобы при его работе интенсивность усиленного излучения, локализованного в активном слое, определяемая выбранными составами и толщинами слоев гетероструктуры и коэффициентами отражений просветляющих покрытий, была выбрана менее ее величины при пороговой плотности тока самовозбуждения. При достаточной интенсивности вытекающего излучения, возрастающей с увеличением тока, порог самовозбуждения для предложенных ПУЭ может быть получен при значительно больших токах, чем в обычных используемых в настоящее время ПУЭ. В то же время это приводит к существенному упрощению требований к просветляющим покрытиям. В предложенных ПУЭ входная и выходная апертуры могут быть сформированы, в отличие от обычных ПУЭ, согласованными с апертурой оптического волокна. В этом случае, ввод входного сигнала и вывод выходного усиленного излучения из ПУЭ может быть осуществлен с помощью оптического волокна напрямую без использования дополнительных согласующих элементов.

При работе ПУЭ за счет интерференционного сложения вытекающих лучей выходное излучение будет направлено перпендикулярно к плоскостям оптических граней. Это обеспечивается имеющимися слоями и их последовательностью в ГС ПУЭ, выбором их составов, толщин. То же самое позволяет уменьшить толщины слоев втекания, что дало возможность выращивать ГС для ПУЭ в одном технологическом цикле.

Поставленная техническая задача решается тем, что в ПУЭ оптические грани расположены практически перпендикулярно плоскости активного слоя. Поэтому имеется возможность использовать простое и обычное скалывание ГС пластины, при котором сколотые грани будут перпендикулярны по отношению к плоскости активного слоя, что значительно упрощает технологический процесс изготовления ПУЭ и его дальнейшее использование.

Поставленная задача решается также тем, что для снижения внутренних нерезонансных потерь, определяющих эффективность предложенного ПУЭ, слой вытекания, локализующий и настроечный слои, выполняют нелегированными. Кроме того, часть отражающего слоя, прилегающего к слою вытекания, также выполняют нелегированной.

Предложенный ПУЭ с введенными локализующим и настроечным слоями позволяет выбрать оптимальный для улучшения параметров лазера состав для слоя втекания. Обычно слои втекания областей втекания имеют одинаковый состав. Он должен быть прозрачным и может быть при этом выполнен из полупроводника, имеющего одинаковый состав с подложкой или близкого по составу с ней. В ряде случаев целесообразно, чтобы ширина запрещенной зоны ЕgBT слоя втекания отличалась от ширины запрещенной зоны ЕgП подложки не более чем на 0,25 эВ. В этом случае будут уменьшены омические и тепловые сопротивления, снижен уровень упругих механических напряжений в структурах и в то же время уменьшены температурные зависимости параметров устройств, что приводит к их большей эффективности, стабильности, мощности, к большему ресурсу их работы и надежности.

Поставленная техническая задача решается также тем, что для улучшения выходных параметров ПУЭ предложено настроечный слой выполнять из полупроводника, близкого или равного по составу с подложкой, на которой выращена гетероструктура.

В следующем исполнении, позволяющем решить поставленную задачу, предложено по крайней мере один локализующий слой и/или один настроечный слой выращивать с составами, одинаковыми или близкими к составу слоя втекания.

В следующей модификации для улучшения распределения излучения в ближнем и дальнем поле предложено по крайней мере один из подслоев слоя втекания формировать с показателем преломления, меньшим, чем nэф, и при этом толщиной много меньше полной толщины слоя вытекания.

Для решения той же поставленной технической задачи и для контроля за параметром = (nэф/nBT) в начальной области токов предложено по крайней мере один из подслоев отражающего слоя выращивать одинаковым по составу со слоем втекания.

Для улучшения параметров ПУЭ в видимой красной области спектра на основе ГС из соединений AlGaInP предложено только тонкие активный слой и локализующий слой выполнять на основе соединений типа AlGaInP, а слой втекания, настроечный и отражающий слои выполнять на основе соединений типа AlGaAs.

Для увеличения мощности излучения ПУЭ предложено поместить по крайней мере два активных слоя, плоскости которых параллельны друг другу, а между ними расположены разделяющие их слои р- и n-типа требуемых толщин и уровней легирования для обеспечения при работе прибора туннельного прохождения тока от одного активного слоя к другому.

Поставленная техническая задача решается также тем, что предложен полупроводниковый оптический усилитель, включающий оптически связанные задающий источник входного излучения и полупроводниковый усилительный элемент, включающий гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, содержащую по крайней мере один активный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, прозрачную для лазерного излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, по крайней мере с одним слоем втекания излучения, состоящим по крайней мере из одного подслоя, гетероструктура характеризуется отношением эффективного показателя преломления nэф гетероструктуры к показателю преломления nВТ слоя втекания, а также оптические грани, отражатели, омические контакты, по крайней мере одно просветляющее покрытие на оптической грани.

Причем при работе полупроводникового усилительного элемента средой распространения усиливаемого излучения являются по крайней мере часть области втекания, по крайней мере часть активного слоя, причем в гетероструктуре дополнительно размещено по крайней мере два отражающих слоя, по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, имеющих показатели преломления, меньшие, чем nэф, и сформированных по крайней мере из одного подслоя, область втекания расположена между активным слоем и соответствующим отражающим слоем, в ней сформировано два дополнительных слоя, а именно примыкающий к поверхности активного слоя локализующий слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя, выполненный из полупроводника с шириной запрещенной зоны, превышающей ширину запрещенной зоны активного слоя, и примыкающий к поверхности локализующего слоя настроечный слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя, далее в области втекания расположен слой втекания, отношение nэф к nВТ определено из диапазона от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом много меньшим единицы, причем при работе полупроводникового усилительного элемента дополнительной средой распространения усиливаемого излучения является по крайней мере часть отражающего слоя, а интенсивность усиленного излучения, локализованного в активном слое, определяемая выбранными составами и толщинами слоев гетероструктуры и коэффициентами отражений просветляющих покрытий, выбрана менее ее величины при пороговой плотности тока самовозбуждения.

Существенное отличие предложенных полупроводниковых оптических усилителей (далее "ПОУ") состоит в комплексной модернизации гетероструктур (далее "ГС"), в которой путем подбора составов и толщин ее слоев обеспечивается работа ПОУ в окрестности узкой переходной области, где начинает выполняться условие вытекания излучения из активного слоя ПУЭ. Это основное отличие обеспечивает решение поставленной технической задачи.

Предложенный ПОУ основан на модернизированном ПУЭ, его модернизированной ГС. В таких ГС нет необходимости в обычно используемых волноводных и ограничительных слоях традиционной лазерной гетероструктуры, на основе которой обычно выполнен традиционный ПОУ. В общем случае ПУЭ предложенного ПОУ состоит из следующих слоев: к активному слою с обеих сторон примыкают внутренние поверхности локализующих слоев, к противоположным наружным сторонам локализующих слоев примыкают внутренние поверхности настроечных слоев, к противоположным наружным сторонам настроечных слоев примыкают внутренние поверхности слоев втекания, к противоположным наружным сторонам слоев втекания примыкают внутренние поверхности отражающих слоев. Далее, как обычно, могут быть сформированы к р-типа стороне ГС - контактный полупроводниковый слой и к n-типа стороне ГС - буферный слой, расположенный на подложке. Под активным слоем здесь и далее будем понимать, что он может быть выполнен в виде одного или нескольких активных подслоев (в том числе имеющих квантоворазмерные толщины) и одного или нескольких барьерных подслоев, расположенных как между активными подслоями, так и с двух его наружных сторон.

При работе предложенного ПОУ с предложенным ПУЭ

- введенные локализующие слои необходимы для локализации носителей тока (электронов и дырок) в активных подслоях. Локализующие слои очень тонкие (для улучшения выходных параметров ПОУ локализующие слои предложено выполнять толщиной не более 0,05 мкм) с шириной запрещенной зоны ЕgЛ этих слоев, значительно превышающей ширину запрещенной зоны ЕgAC активного слоя.

- специально введенные настроечные слои необходимы для возможности контроля отношения nэф к nВТ. Они выполняются достаточно тонкими. Для улучшения выходных параметров ПОУ настроечные слои в большинстве модификаций могут выполнятся толщиной не более 1,0 мкм. Их расположение сразу за локализующим слоем, а также выбираемый состав настроечных слоев, выращиваемых (в зависимости от типа используемых полупроводниковых соединений в ГС) из полупроводника с шириной запрещенной зоны ЕgH, незначительно превышающей ширину запрещенной ЕgAC активных слоев, и/или из состава, одинакового или близкого к составу подложки, определяет высокую эффективность их использования и улучшение выходных параметров ПЭУ.

Для работающего предложенного ПОУ при выполнении условия вытекания в ПУЭ вытекающее излучение из активного слоя через локализующий и настроечный слои попадает в слой втекания, откуда оно после ряда отражений и переотражений внутри ГС выходит из ПОУ. Этот предложенный и экспериментально проверенный нами механизм вытекания осуществлен путем введения отражающего слоя, имеющего показатель преломления nотр, меньший, чем эффективный показатель преломления nэф всей гетероструктуры, и примыкающего к наружной (по отношению к активному слою) поверхности слоя втекания, а также соответствующим выбором толщины слоя втекания и угла вытекания , равного косинусу отношения nэф к nВТ, а именно = cos(nэф/nBT), и, следовательно, соотношения nэф и nВТ, выбранного в диапазоне от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом много меньше единицы. Поэтому составы и толщины слоев ГС подбираются такими, чтобы при работе ПОУ вытекание излучения из активного слоя ПУЭ в область втекания происходило по крайней мере в окрестности его начальной переходной стадии. Отметим, что величина nэф уменьшается с увеличением тока, протекающего через ПУЭ. Переходной точкой процесса вытекания является условие равенства nэф и nВТ. В связи с этим мы предложили универсальный параметр , равный отношению nэф к nВТ, а именно = (nэф/nBT), который характеризует пригодность использования предложенного ПОУ. Этот оцененный нами расчетным путем интервал значений весьма узкий, а именно от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом, много меньшим единицы.

Предложено по крайней мере для части интервала значений рабочих токов отношения nэф к nВТ определять из диапазона менее единицы и более единицы минус дельта, где дельта определяется числом много меньше единицы (при этом условие вытекания в ПУЭ предложенного ПОУ выполняется). Это приводит к сужению диаграммы направленности излучения, увеличению эффективности, уменьшению плотности излучения на выходной грани, практическому отсутствию насыщения усиления вплоть до максимальных значений рабочих токов и к решению других задач.

В некоторых модификациях по крайней мере для части интервала значений рабочих токов отношения nэф к nВТ, определяемые составами и толщинами слоев гетероструктуры, выбирают менее единицы и более 0,99, или вблизи единицы, или равными единице для получения вытекания в ПУЭ предложенного ПОУ.

Для исключения самовозбуждения ПУЭ предложенного ПОУ необходимо, чтобы при его работе интенсивность усиленного излучения, локализованного в активном слое, определяемая выбранными составами и толщинами слоев гетероструктуры и коэффициентами отражений просветляющих покрытий, была менее ее величины при пороговой плотности тока самовозбуждения. При достаточной интенсивности вытекающего излучения, возрастающей с увеличением тока, порог самовозбуждения для предложенных ПОУ может быть получен при значительно больших токах, чем в обычных используемых в настоящее время ПОУ. В то же время это приводит к существенному упрощению требований к просветляющим покрытиям.

В предложенном ПОУ входная и выходная апертуры могут быть сформированы, в отличие от обычных ПОУ, согласованными с апертурой оптического волокна. В этом случае ввод входного сигнала и вывод выходного усиленного излучения из ПУЭ может быть осуществлен с помощью оптического волокна напрямую без использования дополнительных согласующих элементов.

При работе ПОУ с предложенным ПУЭ за счет интерференционного сложения вытекающих лучей выходное излучение будет направлено перпендикулярно к плоскостям оптических граней. Это обеспечивается имеющимися слоями и их последовательностью в ГС, используемой в ПОУ для изготовления по крайней мере ПУЭ, выбором составов и толщин слоев упомянутой ГС. То же самое позволяет уменьшить толщины слоев втекания, что дает возможность выращивать упомянутую ГС в одном технологическом цикле.

Поставленная техническая задача решается тем, что в ПОУ оптические грани расположены практически перпендикулярно плоскости активного слоя. Поэтому имеется возможность использовать простое и обычное скалывание ГС пластины, при котором сколотые грани перпендикулярны по отношению к плоскости активного слоя ГС ПУЭ, что значительно упрощает технологический процесс изготовления ПУЭ для предложенного ПОУ и дальнейшее использование ПОУ.

Поставленная задача решается также тем, что для снижения внутренних нерезонансных потерь, определяющих эффективность предложенного ПОУ, слой вытекания, локализующий, настроечный слои ПУЭ выполняют нелегированными. Кроме того, часть отражающего слоя, прилегающего к слою вытекания, также выполняют нелегированной.

Предложенный ПОУ с введенными локализующим и настроечным слоями позволяет выбрать оптимальный для улучшения параметров ПОУ состав для слоя втекания. Обычно слои втекания областей втекания имеют одинаковый состав. Слой втекания должен быть прозрачным и может быть при этом выполнен из полупроводника, имеющего одинаковый состав с подложкой или близкого по составу с ней. В ряде случаев целесообразно, чтобы ширина запрещенной зоны ЕgBT слоя втекания отличалась от ширины запрещенной зоны ЕgП подложки не более чем на 0,25 эВ. В этом случае будут уменьшены омические и тепловые сопротивления, снижен уровень упругих механических напряжений в структурах, и в то же время уменьшены температурные зависимости параметров устройств, что приводит к их большей эффективности, стабильности, мощности, к большему ресурсу их работы и надежности.

Поставленная техническая задача решается также тем, что для улучшения выходных параметров ПОУ предложено настроечный слой выполнять из полупроводника, близкого или равного по составу с подложкой, на которой выращена гетероструктура.

В следующем исполнении, позволяющем решить поставленную задачу, предложено по крайней мере один локализующий слой и/или один настроечный слой выращивать с составами, одинаковыми или близкими к составу слоя втекания.

В следующей модификации для улучшения распределения излучения в ближнем и дальнем поле предложено по крайней мере один из подслоев слоя втекания формировать с показателем преломления, меньшим, чем nэф, и при этом толщиной много меньше полной толщины слоя вытекания.

Для решения той же поставленной технической задачи и для контроля за параметром = (nэф/nBT) в начальной области токов предложено по крайней мере один из подслоев отражающего слоя выращивать одинаковым по составу со слоем втекания.

Для улучшения параметров ПОУ в видимой красной области спектра на основе ГС из соединений AlGaInP предложено только тонкие активный слой и локализующий слой выполнять на основе соединений типа AlGaInP, a слой втекания, настроечный и отражающий слои выполнять на основе соединений типа AlGaAs.

Для увеличения мощности излучения ПОУ предложено поместить по крайней мере два активных слоя, плоскости которых параллельны друг другу, а между ними расположить разделяющие их слои р- и n-типа требуемых толщин и уровней легирования для обеспечения при работе прибора туннельного прохождения тока от одного активного слоя к другому.

Создание высокомощного, в том числе одномодового или одночастотного источника излучения, возможно при использовании комбинации задающий лазер с высоким качеством излучения и высокомощный ПУЭ, соединенные напрямую. Для обычных лазеров и усилителей это практически невозможно из-за малых размеров их входной и выходной апертур. В предложенном ПОУ изготовление указанной комбинации становится возможным, поскольку размер апертуры ПУЭ превышает размер апертуры обычных усилительных элементов ПОУ в десятки раз.

Для ряда случаев целесообразно задающий источник входного излучения в виде инжекционного лазера и полупроводниковый усилительный элемент изготавливать из одной и той же гетероструктуры и размещать их на одной продольной оптической оси при кратчайшем расстоянии между ними.

В другой модификации предложено инжекционный лазер и полупроводниковый усилительный элемент выполнять из аналогичных гетероструктур, причем толщины слоев втекания полупроводникового усилительного элемента превосходят соответствующие толщины слоев втекания инжекционного лазера.

В других случаях комбинацию ЗИ - ПУЭ возможно выполнять таким образом, что смежные оптические грани инжекционного лазера и полупроводникового усилительного элемента оптически соединяют с использованием оптического согласующего элемента. Таким элементом может быть, например, коллимирующая линза или оптический фоклин.

Возможны модификации, когда ширина полосковой области протекания тока полупроводникового усилительного элемента больше ширины полосковой области инжекционного лазера, или когда ширина полосковой области протекания тока полупроводникового усилительного элемента выполнена расширяемой.

В качестве инжекционного лазера предложено выбрать инжекционный лазер (далее "Лазер"), по конструкции подобный рассмотренному здесь ПУЭ, отличающийся покрытиями на оптических гранях (для ПУЭ - просветляющие, а для Лазера - отражающие).

Такой Лазер включает гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, содержащую по крайней мере один активный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, прозрачную для лазерного излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, по крайней мере с одним слоем втекания излучения, состоящим по крайней мере из одного подслоя, причем в гетероструктуре дополнительно размещено по крайней мере два отражающих слоя, по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, имеющих показатели преломления, меньшие, чем nэф, и сформированных по крайней мере из одного подслоя.

Область втекания расположена между активным слоем и соответствующим отражающим слоем, в ней сформировано два дополнительных слоя, а именно примыкающий к поверхности активного слоя локализующий слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя, выполненный из полупроводника с шириной запрещенной зоны, превышающей ширину запрещенной зоны активного слоя, и примыкающий к поверхности локализующего слоя настроечный слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя, далее в области втекания расположен слой втекания. Гетероструктура характеризуется отношением эффективного показателя преломления nэф гетероструктуры к показателю преломления nВТ слоя втекания, а именно, отношение nэф к nВТ определено из диапазона от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом, много меньшим единицы. Лазер также включает оптические грани, отражатели, омические контакты, оптический резонатор, в котором по крайней мере часть его среды выполнена по крайней мере из части области втекания, по крайней мере из части активного слоя, а дополнительной средой оптического резонатора является также по крайней мере часть отражающего слоя. При этом при работе инжекционного лазера для заданных значений надпороговых токов интенсивность локализованного в активном слое лазерного излучения, определяемая составами и толщинами слоев гетероструктуры, выбрана не менее ее величины, необходимой для поддержания порога лазерной генерации.

В различных модификациях исполнения Лазера предполагается, что при его работе

- отношения nэф к nВТ определены из диапазона от 0,99 до 1,01;

- по крайней мере для части интервала значений надпороговых токов отношения nэф к nВТ определены из диапазона менее единицы и более единицы минус дельта;

- по крайней мере для части интервала значений надпороговых токов отношения nэф к nВТ определены из диапазона менее единицы и более 0,99;

- для значений плотностей пороговых токов и менее отношения nэф к nВТ определены из диапазона от единицы до единицы плюс дельта;

- для значений плотностей пороговых токов и менее отношения nэф к nВТ определены из диапазона от единицы до 1,01;

- для значений плотностей пороговых токов и менее отношения nэф к nВТ определены из диапазона от единицы до единицы минус дельта;

- для значений плотностей пороговых токов и менее отношения nэф к nВТ определены из диапазона от 0,99 до единицы;

- в заданном интервале надпороговых токов углы вытекания , равные косинусам отношений nэф к nВТ, не превышают их величин, выше которых разрушается одномодовый режим работы инжекционного лазера;

- по крайней мере для части интервала значений надпороговых токов интенсивность локализованного в активном слое лазерного излучения не превышает ту величину интенсивности, выше которой разрушается одночастотный режим работы.

Кроме того, в различных модификациях исполнения Лазера предполагается, что

- слой втекания выполнен толщиной не более удвоенной длины оптического резонатора, умноженной на тангенс угла вытекания, равного косинусу отношения nэф к nВТ;

- оптические грани расположены перпендикулярно плоскости активного слоя;

- локализующий слой имеет толщину не более 0,05 мкм;

- настроечный слой имеет толщину не более 1,0 мкм;

- слои втекания обеих областей втекания имеют одинаковый состав;

- слой втекания, локализующий и настроечный слои выполнены нелегированными;

- часть по крайней мере одного отражающего слоя, прилегающая к слою втекания, выполнена нелегированной;

- по крайней мере один из подслоев отражающего слоя имеет состав, одинаковый с составом слоя втекания;

- активный слой и локализующий слой выполнены на основе соединений типа AlGaInP, а слой втекания, настроечный и отражающий слои выполнены на основе соединений типа AlGaAs;

- помещено по крайней мере два активных слоя, плоскости которых параллельны друг другу, а между ними расположены разделяющие их слои р- и n-типа, обеспечивающие при работе прибора туннельное прохождение тока от одного активного слоя к другому;

- ширина запрещенной зоны слоя втекания отличается от ширины запрещенной зоны подложки, на которой выращена гетероструктура, не более чем на 0,25 электрон-Вольт;

- настроечный слой имеет состав, одинаковый с составом подложки, на которой выращена гетероструктура;

- по крайней мере один локализующий слой имеет состав, одинаковый с составом слоя втекания;

- по крайней мере один настроечный слой имеет состав, одинаковый с составом слоя втекания.

Существом настоящего изобретения является предложенный новый неочевидный ПУЭ и на его основе новый неочевидный ПОУ, созданные на основе новой модернизированной ГС, в которой выбранные составы, толщины и расположение ее слоев обеспечивают функционирование ПУЭ и ПОУ в области переходного режима вытекания излучения из активного слоя. Это дает возможность контролировать вывод излучения примерно по нормали к сколотым оптическим граням, получить большие входную и выходную апертуры, малый угол расходимости излучения, режим усиления одной пространственной моды, одной продольной частоты, высокую эффективность, малые омические и тепловые сопротивления, низкий уровень механических напряжений и, как следствие этого, высокую мощность излучения при его высоком качестве и надежности. Упрощена также технология получения предложенных ПУЭ и ПОУ, которая приближена к технологии изготовления современных инжекционных лазеров, в первую очередь, из-за возможности эпитаксиального выращивания слоя втекания в одном процессе изготовления гетероструктуры и из-за отсутствия необходимости изготовления наклонных оптических граней, а также из-за значительного снижения требований к коэффициенту отражения просветляющих покрытий к ним.

Технологическая реализация изобретения не представляет трудностей, основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются при изготовлении инжекционных лазеров и поэтому предложение удовлетворяет критерию "промышленная применимость". Основное отличие при их изготовлении состоит только в других составах и толщинах выращиваемых слоев гетероструктуры.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение поясняется фиг. 1-4.

На фиг.1 схематически изображено продольное сечение предлагаемого ПУЭ с просветляющими покрытиями на оптических гранях с двумя разнотолщинными областями втекания, расположенными по обе стороны от активного слоя.

На фиг.2 схематически изображено продольное сечение предлагаемого ПУЭ с просветляющими покрытиями на оптических гранях с симметрично расположенными двумя областями втекания по обе стороны от активного слоя.

На фиг.3 схематически изображено продольное сечение ПУЭ с просветляющими покрытиями на оптических гранях с присоединенными к ним двумя оптическими волокнами и с двумя равнотолщинными областями втекания, примыкающими к активному слою.

На фиг.4 схематически изображено продольное сечение предлагаемого ПУЭ с просветляющими покрытиями на оптических гранях с одной областью втекания, в которой слои локализующий, настроечный и втекания выполнены одного и того же состава.

На фиг.5 схематически изображено продольное сечение предлагаемого ПУЭ с просветляющими покрытиями на оптических гранях с одной областью втекания, в которой слои локализующий, настроечный и втекания выполнены одного и того же состава, а один из отражающих слоев - из трех подслоев.

На фиг.6 схематически изображено продольное сечение ПОУ с автономно расположенными на одной оптической оси задающим лазером с отражающими покрытиями на оптических гранях и ПУЭ с просветляющими покрытиями на оптических гранях, выполненных из одной и той же ГС с двумя равнотолщинными областями втекания, примыкающими к активному слою.

Варианты осуществления изобретения

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. Приведенные примеры модификаций ПУЭ и ПОУ не являются единственными и предполагают наличие других реализаций, особенности которых отражены в совокупности признаков формулы изобретения.

Предложенный ПУЭ 1 (см. фиг. 1), используемый преимущественно в ПОУ, содержит активный слой 2, к которому с обеих сторон примыкают две области втекания 3 и 4. К областям втекания 3 и 4 с обеих внешних по отношению к активному слою 2 сторон примыкают два отражающих слоя 5 и 6. Отражающий слой 6 расположен со стороны подложки 7 n-типа. Области втекания 3 и 4 содержат по одному локализующему слою 8 и 9, примыкающему к активному слою 2 с обеих его противоположных сторон, по одному настроечному слою 10 и 11, примыкающему соответственно к локализующим слоям 8 и 9, и по одному слою втекания 12 и 13, примыкающему соответственно к настроечным слоям 10 и 11. Активный слой 2 состоял из пяти подслоев ( не показаны): два активных подслоя из InGaAs и три барьерных слоя из GaAs стандартных толщин и составов [5]. Длина волны излучения усиливаемого ПУЭ, выполненного из такой гетероструктуры, равна 980 нм. Локализующие слои 8 и 9 имели одинаковый состав из Al0,40Ga0,40As и одинаковую толщину 0,03 мкм. Настроечные слои 10 и 11 были выращены из GaAs, толщина слоя 10 равна 0,3 мкм, а слоя 11 - 0,15 мкм. Слои втекания 12 и 13 были выращены из Al0,05Ga0,95As, при этом толщина слоя 12 равна 1,0 мкм, а слоя 13 - 5.0 мкм. Отражающие слои 5 и 6 имели одинаковый состав из Al0,09Ga0,91As и одинаковую толщину 1,0 мкм. Выбранные составы и толщины слоев ГС ПУЭ 1 обеспечили расчетные значения параметра равными 1,00015 и 0,99971 соответственно при плотностях токов j, равных 50 А/см2 и 20000 А/см2. Равенство nэф и nВТ имело место при плотностях токов 1100 А/см2. Расчетный угол расходимости в вертикальной плоскости при плотности тока 12000 А/см2 равен 9,3o (по уровню 0,5).

Из выращенной ГС изготовляли предложенный ПУЭ 1 (см. фиг.1). В таком ПУЭ 1 на подложку 7 n-типа и контактный слой р-типа (не показан) нанесены омические слои металлизации, не указанные на фигурах. Длина ПУЭ 1 LПУЭ выбрана равной 1600 мкм. На сколотые грани 14 ГС нанесены просветляющие покрытия 15 и 16 с равными коэффициентами отражений R1 и R2, равными 0,5%. Полосковые активные области протекания тока имели ширину полоски 10 мкм. Для исключения самовозбуждения ПУЭ 1 при всех значениях тока интенсивность усиленного излучения, локализованного в активном слое 2, определяемая составами и толщинами слоев гетероструктуры и коэффициентами R1 и R2, выбрана менее ее пороговой величины самовозбужения вплоть до плотностей тока 20000 А/см2 и более. Условие вытекания излучения из активного слоя 2 в слои втекания 12 и 13 начинает выполняться при превышении значения j, превышающего 1100 А/см2. Угол вытекания при этом возрастает от 0o при j, равном 1100 А/см2, до 1,37o при j, равном 20000 А/см2. Входная апертура такого ПУЭ 1 равна 610 мкм2, а угловая апертура в вертикальной плоскости равна 9,3o. У такого ПУЭ 1 практически нет насыщения усиления, вплоть до предельных его токов, определяемых только перегревом его граней.

Следующая модификация ПУЭ 1 (см. фиг.2), используемого преимущественно в ПОУ, отличалась от предыдущей тем, что в ней толщины слоев втекания 12 и 13 были одинаковы и равны 5 мкм, а толщины настроечных слоев 10 и 11 одинаковы и равны 0,23 мкм. Для этой модификации ПУЭ 1 расчетные значения параметра при плотностях токов 50 А/см2 и 20000 А/см2 были соответственно равны 1,00036 и 0,99973. Равенство nэф и nВТ имело место при плотности тока 2800 А/см2. Расчетный угол расходимости в вертикальной плоскости при плотности тока 12000 А/см2 равен 3,9o.

Следующая модификация ПУЭ 1 (см. фиг.3), используемого в ПОУ, отличалась от предыдущей составами слоев, рассчитанными на длину волны излучения 1310 нм, и тем, что к оптическим граням с просветленными покрытиями 15 и 16 подсоединены оптические волокна: входное 17 - для ввода излучения через входную оптическую грань 14 с покрытием 15 и выходное 18 - для вывода излучения от противоположной оптической грани 14 с покрытием 16. Большие площади входной и выходной апертур при согласованных угловых апертурах оптических волокон 17 и 18 и ПУЭ 1 позволяют присоединить волокна 17 и 18 напрямую без дополнительных соединительных элементов.

Эта модификация с большой эффективностью может быть использована в качестве усилителей мощности (а возможно и предусилителей) в современных волоконно-оптических линиях связи. Ее основные достоинства - низкие потери излучения при его вводе в ПУЭ 1 определяют его низкие шумы - фактор шума может быть ниже 2..3 дБ, что сравнимо с волоконными усилителями, симметричный волновод площадью 1010 мкм2 резко уменьшает его чувствительность к поляризации входного сигнала, малосигнальное усиление сигнала может быть достигнуто более 45. . 55 дБ, а усиливаемая мощность без насыщения в ПУЭ 1 может достигать 1..2 Вт и ограничивается главным образом тепловым перегревом. Достоинством ПУЭ 1 является также малый угол расходимости в вертикальной плоскости, уменьшающийся с увеличением плотности тока от 11,7o до 4,9o.

Отличие следующей модификации ПУЭ 1 (см. фиг.4), используемой в ПОУ, от модификации, изображенной на фиг.1, состоит в том, что в нем сформирована одна область втекания 4, которая выполнена со стороны подложки 7. В ней слой втекания 13 выполнен такого же состава, что и локализующий слой 9 и настроечный слой 11, а именно из Al0,21Ga0,79As. В этой модификации со стороны р-типа отражающий слой 5 непосредственно граничит с активным слоем 2. Для этой модификации ПУЭ 1 расчетные значения параметра при плотностях токов 50 А/см2 и 20000 А/см2 были соответственно равны 0,999912 и 0,999648. Вытекание в такой структуре присутствовало при всех значениях токов, при этом угол вытекания нарастал с током от 0,8o до 1,5o. Расчетный угол расходимости в вертикальной плоскости при плотности тока 12000 А/см2 равен 11,7o (по уровню 0,5).

Отличие следующей модификации ПУЭ 1 (см. фиг.5) от предыдущей состоит в том, что в ней отражающий слой 5 сформирован из трех подслоев: первого подслоя 19, не отличающегося по составу от отражающего слоя 5 в предыдущей модификации и примыкающего к активному слою, второго подслоя 20, имеющего тот же состав, что и слой втекания 13, и третьего подслоя 21, имеющего показатель преломления меньше, а ширину запрещенной зоны ЕgOTP больше, чем в первом подслое 19. Для этой модификации угол снижен до 9,5o. Возможна другая модификация, в которой отражающий слой, разделенный на три аналогичных подслоя, примыкает своим подслоем 14 к наружной поверхности слоя втекания, параллельной плоскости активного слоя. Здесь также получено снижение расчетного угла расходимости .

Следующая модификация ПУЭ 1, используемая в ПОУ, с длиной волны лазерного излучения, равной 650 нм, отличалась от модификации, схематически изображенной на фиг.1, тем, что в ней тонкий активный слой 2 выращен из GaInP, тонкие локализующие слои 8 и 9 выращены из AlGaInP, a все остальные толстые слои втекания 12, 13 толщиной соответственно 1,2 мкм и 3,0 мкм, отражательные 5 и 6 и настроечные 10 и 11 выращены из AlGaAs, прозрачного для длины волны 650 нм.

Следующая модификация ПУЭ 1, используемого в ПОУ, отличалась от модификации, схематически изображенной на фиг.1, тем, что в ней выполнено два активных слоя 2, плоскости которых параллельны друг другу и поверхностям соединений этих слоев, а именно поверхностям смежных барьерных подслоев, входящих в состав активных слоев 2. Эти подслои выполнены в данном случае сильнолегированными n- и р-типа слоями. Подслой р-типа размещен со стороны подложки 7 n-типа, а слой n-типа - со стороны отражающего слоя. Такие подслои обеспечивают туннельное протекание тока при работе прибора. Он имеет высокую эффективность.

Предложенный ПОУ (см. фиг.6) включает задающий источник входного излучения, выполненный в виде Лазера 22, оптически соединенного с ПУЭ 1. Лазер 22 и ПУЭ 1 изготовлены с использованием одной и той же модификации ГС, описанной выше при описании ПУЭ 1 и схематически изображенной на фиг.2, как часть конструкции ПУЭ 1. При изготовлении Лазера 22 на контактный слой р-типа (не показан) и подложку 7 формировали омические слои металлизации, не указанные на фигурах. Длина оптического резонатора Lрез Лазера 22 выбрана равной 1000 мкм. На сколотые грани 23 нанесены отражающие покрытия 24 и 25 соответственно с коэффициентами отражений R1, равным 95%, и R2, равным 5%. Полосковые активные области были изготовлены с шириной полоски 10 мкм. В данном задающем лазере пороговая плотность тока jпор равна 250 А/см2.

Расчетный угол расходимости (по уровню 0,5) в вертикальной плоскости при плотности тока 12000 А/см2 равен 3,9o. Дифференциальная эффективность d была равна 85%, мощность излучения в одной пространственной моде была равна 0,5 Вт.

В качестве ПУЭ выбран ПУЭ 1 второй модификации, изображенный схематически на фиг.2. Выполнение ПУЭ 1 проходило в соответствии с примером 1.

Входная апертура такого ПУЭ 1 равна 1010 мкм2, а угловая апертура в вертикальной плоскости равна 3,9o. У такого ПУЭ 1 практически нет насыщения усиления, вплоть до предельных его токов, определяемых только перегревом грани. Большие и одинаковые выходная апертура задающего лазера и входная апертура ПУЭ 1 позволяют с достаточной точностью и малыми потерями излучения съюстировать задающий лазер и ПУЭ 1 на одной продольной оптической оси при кратчайшем расстоянии между ними. Такой ПОУ является мощным источником высококачественного как одномодового, так и одночастотного излучения. На выходе ПОУ получена мощность излучения 5 Вт в одной моде.

Следующая модификация ПОУ отличалась от предыдущей тем, что в ПУЭ 1 при суммарной толщине слоев втекания 12 и 13, равной 10 мкм, ширина полоски для протекания тока была расширяемой от 10 мкм на входе до 50 мкм на выходе. В этом случае в одной моде была получена мощность излучения 12,5 Вт, при этом в вертикальной плоскости угол расходимости равен 3,9o, а в горизонтальной плоскости угол расходимости равен 1,2o.

Таким образом, получены предложенный эффективный высокоапертурный высокоскоростной малошумящий, со сниженной чувствительностью к поляризации входного сигнала, с практическим отсутствием насыщения усиливаемого излучения ПУЭ и высокомощный высокоэффективный ПОУ с малыми углами расходимости выходного излучения, направленного под практически прямым углом к плоской оптической грани, с улучшенным распределением ближнего и дальнего поля излучения, улучшенными температурными зависимостями выходных параметров и упрощенным технологическим процессом изготовления.

Промышленная применимость

ПУЭ и ПОУ применяются в волоконно-оптических системах связи и передачи информации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах, при создании медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования, лазеров с удвоенной частотой генерируемого излучения, а также для накачки твердотельных и волоконных усилителей и лазеров.

Источники информации

1. S.O'Brien et al., IEEE J. of Quant. Electr. (1993), vol.29, No.6, pp. 2052-2057.

2. J.P.Donnelly et al., IEEE Phot. and Techn. Letters (1996), vol.8, pp. 1450-1452.

3. L. Goldberg et al., IEEE J. of Quant. Electr. (1993), vol.29, No.6, pp.2028-2042.

4. Патент 2134007 RU [ГУП НИИ "ПОЛЮС", В.И. Швейкин, РФ] 12.03.1998, H 01 S 3/19.

5. Патент 2142665 RU (D-LED, LTD, US) 10.08.1998, H 01 S 3/19. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Полупроводниковый усилительный элемент, включающий гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, содержащую по крайней мере один активный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, прозрачную для лазерного излучения область втекания излучения по крайней мере с одной стороны активного слоя, по крайней мере одну, по крайней мере с одним слоем втекания излучения, состоящим по крайней мере из одного подслоя, гетероструктура характеризуется отношением эффективного показателя преломления nэф гетероструктуры к показателю преломления nвт слоя втекания, а также оптические грани, отражатели, омические контакты, по крайней мере одно просветляющее покрытие на оптической грани, причем при работе полупроводникового усилительного элемента средой распространения усиливаемого излучения являются по крайней мере часть области втекания, по крайней мере часть активного слоя, отличающийся тем, что в гетероструктуре дополнительно размещено по крайней мере два отражающих слоя, по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, имеющих показатели преломления меньшие, чем nэф, и сформированных по крайней мере из одного подслоя, область втекания расположена между активным слоем и соответствующим отражающим слоем, в ней сформировано два дополнительных слоя, а именно примыкающий к поверхности активного слоя локализующий слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя, выполненный из полупроводника с шириной запрещенной зоны, превышающей ширину запрещенной зоны активного слоя, и примыкающий к поверхности локализующего слоя настроечный слой области втекания, сформированный по крайней мере из одного подслоя, далее в области втекания расположен слой втекания, отношение nэф к nвт определено из диапазона от единицы минус дельта до единицы плюс дельта, где дельта определяется числом, много меньшим единицы, причем при работе полупроводникового усилительного элемента дополнительной средой распространения усиливаемого излучения является по крайней мере часть отражающего слоя, а интенсивность усиленного излучения, локализованного в активном слое, определяемая составами, толщинами слоев гетероструктуры и коэффициентами отражений просветляющих покрытий, выбрана менее ее величины при пороговой плотности тока самовозбуждения.

2. Полупроводниковый усилительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что при его работе отношения nэф к nвт определены из диапазона от 0,99 до 1,01 и по крайней мере для части интервала значений рабочих токов отношения nэф к nвт определены из диапазона от единицы до 1,01.

3. Полупроводниковый усилительный элемент по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что при его работе по крайней мере для части интервала значений рабочих токов отношения nэф к nвт определены из диапазона менее единицы и более единицы минус дельта.

4. Полупроводниковый усилительный элемент по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что противоположные оптические грани с нанесенными на них просветляющими покрытиями оптически соединены с оптическими волокнами так, что продольные оси оптических волокон и полупроводникового усилительного элемента совмещены.

5. Полупроводниковый усилительный элемент по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что слой втекания, локализующий слой, настроечный слой и часть по крайней мере одного отражающего слоя, прилегающая к слою втекания, выполнены нелегированными.

6. Полупроводниковый усилительный элемент по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что слои втекания в областях втекания выполнены одинаковыми по составу.

7. Полупроводниковый усилительный элемент по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что по крайней мере один из подслоев отражающего слоя имеет состав, одинаковый с составом слоя втекания.

8. Полупроводниковый усилительный элемент по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что активный слой и локализующий слой выполнены на основе соединений типа AlGaInP, а слой втекания, настроечный и отражающий слои выполнены на основе соединений типа AlGaAs.

9. Полупроводниковый усилительный элемент по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что помещено по крайней мере два активных слоя, плоскости которых параллельны одна другой, а между ними расположены разделяющие их слои р- и n-типа, обеспечивающие при работе прибора туннельное прохождение тока от одного активного слоя к другому.

10. Полупроводниковый усилительный элемент по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что по крайней мере один локализующий слой имеет состав, одинаковый с составом слоя втекания.

11. Полупроводниковый усилительный элемент по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что по крайней мере один настроечный слой имеет состав, одинаковый с составом слоя втекания.

12. Полупроводниковый оптический усилитель, включающий оптически соединенные задающий источник входного излучения и полупроводниковый усилительный элемент, отличающийся тем, что полупроводниковый усилительный элемент выполнен по п. 1.

13. Полупроводниковый оптический усилитель по п. 12, отличающийся тем, что при его работе отношения nэф к nвт определены из диапазона от 0,99 до 1,01 и по крайней мере для части интервала значений рабочих токов отношения nэф к nвт определены из диапазона от единицы до 1,01.

14. Полупроводниковый оптический усилитель по любому из пп. 12 и 13, отличающийся тем, что противоположные оптические грани полупроводникового усилительного элемента с нанесенными на них просветляющими покрытиями оптически соединены с оптическими волокнами.

15. Полупроводниковый оптический усилитель по любому из пп. 12-14, отличающийся тем, что слой втекания, локализующий, настроечный слои и часть по крайней мере одного отражающего слоя, прилегающая к слою втекания, выполнены нелегированными.

16. Полупроводниковый оптический усилитель по любому из пп. 12-15, отличающийся тем, что по крайней мере один из подслоев отражающего слоя имеет состав, одинаковый с составом слоя втекания.

17. Полупроводниковый оптический усилитель по любому из пп. 12-16, отличающийся тем, что активный слой и локализующий слой выполнены на основе соединений типа AlGaInP, а слой втекания, настроечный и отражающий слои выполнены на основе соединений типа AlGaAs.

18. Полупроводниковый оптический усилитель по любому из пп. 12-17, отличающийся тем, что помещено по крайней мере два активных слоя, плоскости которых параллельны одна другой, а между ними расположены разделяющие их слои р- и n-типа, обеспечивающие при работе прибора туннельное прохождение тока от одного активного слоя к другому.

19. Полупроводниковый оптический усилитель по любому из пп. 12-18, отличающийся тем, что по крайней мере один локализующий слой имеет состав, одинаковый с составом слоя втекания.

20. Полупроводниковый оптический усилитель по любому из пп. 12-19, отличающийся тем, что по крайней мере один настроечный слой имеет состав, одинаковый с составом слоя втекания.

21. Полупроводниковый оптический усилитель по любому из пп. 12-20, отличающийся тем, что задающий источник входного излучения выполнен в виде инжекционного лазера.

22. Полупроводниковый оптический усилитель по п. 21, отличающийся тем, что инжекционный лазер и полупроводниковый усилительный элемент выполнены из одной и той же гетероструктуры и размещены на одной продольной оптической оси при кратчайшем расстоянии между ними.

23. Полупроводниковый оптический усилитель по п. 21, отличающийся тем, что инжекционный лазер и полупроводниковый усилительный элемент выполнены из аналогичных гетероструктур, причем толщина соответствующего слоя втекания полупроводникового усилительного элемента превосходит толщину соответствующего слоя втекания инжекционного лазера.

24. Полупроводниковый оптический усилитель по любому из пп. 21-23, отличающийся тем, что ширина полосковой области протекания тока полупроводникового усилительного элемента больше ширины полосковой области инжекционного лазера.

25. Полупроводниковый оптический усилитель по любому из пп. 21-24, отличающийся тем, что ширина полосковой области протекания тока полупроводникового усилительного элемента выполнена расширяемой.


ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru